引信惯性机构在炮管磨损下动态响应模拟仿真分析

辛思宇，邵伟平，张嘉易，赵 旭

(1.沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.沈阳理工大学 辽宁省先进制造技术与装备重点实验室，辽宁 沈阳 110159；3.中国兵器工业集团引信研究院 机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065)

0 引言

在弹丸发射实验中相关引信多次出现早炸、瞎火等现象，地面人员对仪器舱弹载设备性能和致使弹丸早炸、瞎火等原因做不到精准判断。弹丸在外弹道环境下高速飞行过程中，利用自身旋转产生的进动力矩克服阻力矩实现稳定飞行。在外弹道环境下引信机构的运动规律及受力分析是引信设计、研究、故障分析以及性能评价的重要依据和基础。由于引信机构是在短时间内剧烈变化的弹道环境下工作，目前还没有可以直接通过发射实验获取引信机构运动规律的手段，只能通过模拟仿真来得到想要的实验数据。基于上述情况，本文主要研究了弹丸分别在理想状态和炮管磨损条件下引信惯性机构的动态响应结果，以得到弹丸出现早炸、瞎火等现象的原因。

1 某口径弹丸结构及引信机构组成

图1为某口径弹丸三维模型。该弹丸总质量为13.5 kg，质心位于距离弹丸顶部155 mm处，弹丸引信机构位于距离弹丸底部249 mm处，引信机构质量为0.01 kg。引信机构由衬套、衬套盖、掷饵、活机体和小圆柱几部分组成，其细节展开图如图2所示。其中活机体的运动响应也决定了引信机构的动态响应情况。

图1 某口径弹丸三维模型

图2 引信机构组成

2 弹丸Fluent气动仿真

为了得到弹丸在不同马赫数(1马赫=340 m/s)下的阻力、升力、滚转力矩和俯仰力矩，进而得到运动过程中弹丸受到的空气动力及空气动力矩，需要将弹丸的三维模型在ANSYS中进行网格划分，提供弹丸在全弹道分析中必要的解算条件。

弹丸的计算网格使用ANSYS Workbench Meshing生成，在外流场中的网格划分如图3所示，局部放大网格如图4所示。由于弹丸是模拟在空气中高速飞行并旋转，故在弹丸周围建立一个圆柱型压力远场作为气动来流参考。在弹丸网格生成完成后，查看网格质量，最小正交质量为1.389 79×10-1，结果满足解算精度要求。

图3 弹丸在外流场中的网格划分

图4 弹丸局部放大网格

在Fluent中设置来流速度分别为0马赫、0.5马赫、1马赫、1.5马赫、2马赫和2.5马赫，攻角分别为0°、2°、4°、6°和8°的仿真条件，对弹丸模型进行数值模拟仿真，得到气动参数，其中来流速度为0.5马赫、攻角为2°下的弹丸气动参数如图5～图8所示。

图5 来流速度为0.5马赫、攻角为2°下的弹丸阻力迭代曲线

图6 来流速度为0.5马赫、攻角为2°下的弹丸升力迭代曲线

图7 来流速度为0.5马赫、攻角为2°下的弹丸滚转力矩迭代曲线

图8 来流速度为0.5马赫、攻角为2°下的弹丸俯仰力矩迭代曲线

将不同攻角和马赫数下弹丸压力中心所受到的阻力、升力、滚转力矩、俯仰力矩等气动参数进行拟合，为弹丸动力学仿真分析提供依据。

3 仿真分析时弹丸模型飞行过程中力及力矩的加载

3.1 在理想条件下弹丸模型力及力矩的加载

根据弹丸理论弹道分析，设置弹丸初始条件为出膛速度850 m/s、转速113 587 rad/s。

弹丸在空中飞行受到重力、空气动力和力矩的作用，必须将这些载荷施加在弹丸上才能真实地模拟弹丸在空气中的受力情况。根据Fluent气动力仿真得到的不同来流马赫数、不同攻角下弹丸阻力、升力、滚转力矩及俯仰力矩数值，以马赫数(Ma)为横坐标、攻角(°)为纵坐标，利用Matlab拟合方程，将拟合方程作为函数加载到弹丸模型上。

将弹轴轴线方向定义为X轴，垂直于弹轴轴线的两个方向分别定义为Y轴和Z轴；将压力中心位置的力通过转换分解为X轴的阻力、Y轴的升力、Z轴的马格努斯力、滚转力矩Mx、俯仰力矩My和偏航力矩Mz，并将这些力施加到弹丸上。ADAMS中弹丸坐标及受力如图9所示。

图9 ADAMS中弹丸坐标及受力

X轴阻力：作用在质心，方向始终与弹丸轴线的运动方向相反，大小与来流马赫数、攻角密切相关。

Y轴升力：作用在质心，方向指向质心的Y轴，与弹轴垂直，大小与来流马赫数、攻角密切相关。

Z轴马格努斯力：它其实是影响偏航的一个力，作用在质心，方向指向质心的Z轴，与弹轴垂直，大小与来流马赫数、攻角相关。

滚转力矩Mx：作用在质心，方向与X轴阻力相同，大小与来流马赫数、攻角密切相关。

俯仰力矩My：作用在质心，方向与Z轴马格努斯力相同，大小与来流马赫数、攻角密切相关。

偏航力矩Mz：作用在质心，方向与Y轴升力相同，大小与来流马赫数、攻角密切相关。

3.2 在炮管磨损条件下力及力矩的加载

仿真分析时，炮管无磨损情况下弹丸模型只需加载3.1节所提到的力及力矩进行仿真即可，炮管磨损情况下还需要在弹丸出膛后的短时间内在垂直于弹丸轴线的Y、Z两方向施加如图10～图13所示的力及力矩，模拟弹丸在膛内所受不均匀激励的情况，力及力矩的数据根据以往实验获得。

4 仿真结果分析

4.1 弹丸章动情况

通过ADAMS动力学仿真得到的理想条件和炮管磨损条件下弹丸外弹道飞行章动角-时间曲线如图14、图15所示。

由图14、图15可以看出，炮管磨损对弹丸产生的力及力矩对章动角的大小产生了显著的影响，其影响程度最明显体现在弹丸刚出膛的一段时间内。通过ADAMS PostProcessor的动画演示也可以看出，炮管磨损情况下弹丸在出膛瞬间存在明显的章动现象，但在气动力及力矩的修复作用下，慢慢使章动量减小，逐渐趋于稳态，对其后面的飞行过程几乎不存在影响。

图10 Y轴方向磨损力fy-时间曲线 图11 Z轴方向磨损力fz-时间曲线 图12 Y轴方向磨损力矩Iy-时间曲线

图13 Z轴方向磨损力矩Iz-时间曲线 图14 理想条件下弹丸章动角-时间曲线 图15 炮管磨损条件下弹丸章动角-时间曲线

4.2 引信运动响应

活机体运动情况直接影响引信机构的动态响应，所以本次实验选择活机体的运动规律进行分析，得到的理想条件下和炮管磨损条件下活机体相对位移-时间、相对速度-时间、相对加速度-时间曲线如图16～图18所示。

图16 活机体相对位移-时间曲线 图17 活机体相对速度-时间曲线 图18 活机体相对加速度-时间曲线

5 结论

通过以上分析可知，理想条件和炮管磨损条件下，引信活机体机构相对位移-时间曲线和相对速度-时间曲线两者几乎无差别，而相对加速度-时间曲线虽然峰值几乎相同，但各自峰值对应的时间有所不同，炮管磨损条件下峰值出现较早，理想条件下相应靠后，这说明在炮管磨损的情况下，由于外部力和力矩的作用，使得弹丸产生了较大的章动量，直接影响到引信轴向相对加速度峰值出现的时间。根据活机体相对位移-时间曲线和相对速度-时间曲线相差不大的特性，可以得出炮管磨损对引信动态响应无影响，炮管磨损不是导致弹丸早炸、瞎火的结论。